Химический состав земной коры

А.Е. Ферсман

Смотрите также:

Ферсман. Рассказы о самоцветах

ФЕРСМАН. ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ МИНЕРАЛОГИЯ

Ферсман. Путешествия за камнем

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Ферсман. Геохимия - химия земли

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Распределение элементов и строение атома

§ 34. Несомненно, что одни из самых интересных обобщений геохимии последнего времени связаны с попытками связать распределение элементов с современными взглядами на строение материи. Это был в сущности тот же путь, который наметили Crookes и Lokayer в идеях эволюции вещества, но сейчас этот путь — на основе точного эксперимента и точных математических выкладок.

Крупный шаг вперед в более глубоком познании законностей распространения элементов представила работа профессора химии в Палермо Oddo, которая, хотя и не дала никакого объяснения подмеченным законностям, тем не менее еще до первых обобщений Harkins'a (1916—1921 гг.) установила ряд особенностей Клерковских чисел. Уже давно было известно, что атомные числа являются кратными четырех или вообще близки к ним, о чем мы имеем целый ряд чисто формальных соображений (55). Обычно в литературе отмечалось, что элементы по атомным весам преимущественно представляют 4q или 4q — 1 (или 4q-|-3, что то же самое).

Основываясь на этих давно отмеченных данных, Oddo указал на значительную распространенность среди Клерковских чисел земной коры атомов кратных четырех, причем отметил, что не подчиняющиеся этому довольно распространенные атомы Na, Ва, Mn, N и F составляют в сумме всего около 2,54°,'о и отклоняются от 4q на число, большее единицы. Если принять минимум отклонения от цифры 4 в 0,32, то сумма весов таких отклоняющихся в земной коре элементов составит лишь 13,54%, причем 86,5°/о приходится на элементы типа 4q. В заключение этих соображений Oddo говорит: «man kann diese Beziehungen fur ein zufalliges Zusammentreffen halten—oder aber sollte man auch die nichtradioactive Elemente als selbstandige Kon- densationsprodukte von Heliumatomen betrachten diirfen?» (56).

Эти совершенно справедливые идеи, как мы увидим дальше, повлекли за собою целый ряд очень любопытных соображений американского химика Harkins'a (1915 —1921 гг.).

Еще ближе стал подходить к нашей проблеме Curt Schmidt, автор небольшой книжки о периодической системе элементов, посвященной Менделееву (1917 г.), и автор весьма любопытной, хотя иногда и немного любительской статьи в Zeitschr. f. anorg. Chemie (1918 г.) (57).

Основная идея Шмидта заключается в формировании тяжелых элементов из первичного вещества, причем он прямо отмечает, ссылаясь на работы Clarke, что для выяснения теории развития (интеграции) химических элементов весьма большое значение представляют цифры относительной распространенности химических элементов в природе, так как «только последние могут дать надежный критерий для суждения о продолжительности жизни элементов и открыть нам законы течения процесса интеграции!.

Уже из этих слов мы видим, что, в противоположность другим идеям, Шмидт рассматривает природу, как нормальный процесс интеграции, формирования тяжелых элементов из более легких, причем, по его мнению, этот процесс только идет и состав наблюдаемый земной коры определяет еще молодую стадию формирования элементов; имеющийся в природе водород— это остаток, еще не успевший конденсироваться в более сложные системы; радиоактивные вещества — это старые, ранее образовавшиеся атомы, еще не успевшие разложиться. Как далеко будет итти этот процесс—спрашивает Шмидт не находя ответа.

В своем космическом мировоззрении он стоит довольно одиноко; для Clarke, судя по его осторожным фразам, мир находится в состоянии равновесия; для Н ер нет а главная часть природных процессов связана с распадом, т. е. излучением, но и Нернст становится определенно на точку зрения мирового равновесия, стационарного состояния современного космоса.

Идеи Нернста, сведенные в 1921 г. в его прекрасной книге о мироздании, только частично касаются нашей темы. Для него одинаково возможны случайные столкновения атомов с зарождением тяжелых элементов, может быть выше, чем число урана (число М — 92); для него, однако, изучаемый мир есть мир излучения не энергии, а массы, мир постепенного распада материи с ее превращением в энергию излучения. В железных и каменных метеоритах он видит формы накопления более устойчивых атомов, причем в столь распространенном в мироздании железе он видит «элемент с исключительно большою продолжительностью жизни, как бы своего рода точку отдыха в истории радиоактивного распада элементов».

О работах Нернста, Аррениуса и др. в этом направлении см. дальше в главе XII.

Я не буду пока далее останавливаться на многочисленной литературе чисто физического характера, в которой, то тут то там проскальзывают идеи связи строения атома с вопросами геохимии и космохимии (58): таковы намеки Kossel'a с его подчеркиванием членов, построенных по типу 4q (т. е. с атомными весами кратными 4) и с очень ярким разделением четных и нечетных рядов Менделеевской таблицы; Lise Meitner с ее необычайно изящным объяснением, почему большею устойчивостью должны отличаться элементы с четным порядковым числом; работы последних лет Oddo над естественною группировкою элементов в Менделеевской таблице и ряд других.

§ 35. Все эти идеи, одновременно всплывавшие в разных местах у разрозненных войною научных деятелей, возникшие и у меня в моих самостоятельных работах конца 1921 г., получили наиболее яркое выражение в талантливых, но не всегда достаточно спокойных по изложению работах профессора физической химии в Чикаго HarKins'а, который, начиная с 1915 г. по 1921 г. в ряде работ дал блестящее освещение вопросу о связи строения ядра с вопросами геохимии и астрохимии: надо, однако, отдать справедливость, что многие из построений Harkins'a несколько искусственны и излишне усложняют зависимости, которые в своей основе ве)эно были подмечены им.

Попытаюсь свести представления Harkins'a к нескольким главнейшим пунктам, причем должен отметить, что основной ход его рассуждения таков:

«Относительное распространение видов элементов с низкими атомными весами может быть истолковано, как показатель (относительный) их относительной устойчивости»—так гласит его первое положение. Второе положение, вытекающее из всех его работ, может быть выражено так: «характер строения атома элемента предопределяет его устойчивость и тем самым связан с количественным распространением элемента в мирозданииэ, характер же- атома в общем определяется его атомным весом (Р), его порядковым числом (М = число Мозеле я) и, в третьих, особенным числом, которое является ни чем иным, как числом нейтральных элементов в ядре (N = P — М). К сожалению, и эти простые понятия Harkins нередко усложняет рядом перечислений и перегруппировок, ничего большего по существу не дающих, причем для части своих рассуждений он берет настоящее изотопическое число n = P — 2М.

Лучшим выражением количественного распространения элементов в мироздании вряд ли может служить, по мнению Harkins'a, наша земная кора, а только космические тела—метеориты. Поэтому он всецело обращает внимание на распространение элементов в метеоритах и, основываясь на работах Farrington'a, дает ряд подсчетов, очень близких к тем, которые мною выше приведены в таблицах XVIII, XXV—XXVIII. В своих работах он принимает для земли цифры Clarke, для метеоритов вычисляет их из данных Farrington'a, считая, что на 10 железных приходится 350 каменных. Все расчеты, аналогично моим работам, он ведет в атомных числах (объемных отношениях).

Эти таблицы Harkins сопровождает целым рядом мелких весьма любопытных замечаний. Прежде всего он совершенно оп ределенно высказывается за то, что никкель (№ 28) кончает собою ряд распространенных элементов метеоритов; каждый четный элемент содержится больше, чем пара соседних нечетных, и в качестве примера приводит расчет James ц. В a Ike для редких земель. Редкость неона, по его мнению, объясняется его легкостью и уносом из земной атмосферы.

В заключение фактической части он делает следующие шесть выводов:

1.         Атомы, в которых N (т. е. Р — М, число отрицательных электронов в ядре) четное, распространеннее чем те, в которых N нечетное, для метеоритов в 33 раза, для земной коры в 40 раз.

2.         Атомы, в которых Р (Р = атомный вес) четное, по отношению к нечетным распространеннее, в метеоритах в 18 раз, в земной коре в 61[2 раз.

3.         Атомы, в которых М (Мозелеевское число = порядковый номер) четное, распространеннее в метеоритах в 50 раз и в земной коре в 8 раз.

4.         Атомы с нечётным N и четным Р содержатся в метеоритах— 0,0, в литосфере—0,0 и во всей земной коре — 0,05.

М

5.         В большинстве сильно распространенных атомов -^-=0,5; а именно 80°/0 в метеоритах и 85% в земной коре.

6.         Атомный вес 13 атомов из 14 в метеоритах и 85°/о в земной коре делится на 4.

Эти фактические данныя Н а г k i n s сопровождает рядом теоретических рассуждений, стремясь доказать, что наиболее распространенными являются те атомы, кои наиболее устойчивы с точки зрения строения ядра элемента.

В основу устойчивых элементов он ставит гелиогруппы, т. е. группы из 4, чем и объясняется значение этого числа и в Менделеевской таблице и в вопросах распространенности отдельных элементов. В противоположность этим атомам другие нечетные содержат мало устойчивые электроны и, потому, сами неустойчивы или недолговечны. В этом отношении он совершенно согласен и с Фаянсом и с Мейтнер, отмечающими в частности для радиоактивного ряда недолговечность атомов нечетных, излучающих [3-лучи.

Во всяком случае основная идея определенна и ясна:

В природе наиболее распространены элементы устойчивые и долговечные х) (60).

В своих рассуждениях Harkins не подмечает различия между элементами поверхности и глубин в земной коре. Некоторое объяснение теоретических взглядов на строение ядра у него и у Meitner см. в примечании ().

К содержанию книги: ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМЛИ И КОСМОСА